（机械工程专业论文）双弹车综合测试台液压控制方案协调性设计与试验研究.pdf

中南人掌锁i ：学位论文 摘要 随着科学技术的发展，液压传动技术在越来越多的领域得到了广 泛的应用，针对液压系统和元件的性能测试工作也越来越频繁。传统 的液压测试技术主要依靠试验操作者手动操作，数据采集方式为：传 感器+ 模拟二次仪表。这种试验方法得到的结果带有严重的人为误差， 效率低、精度差，而且试验过程繁琐、分析不便。针对上述情况，本 文按照使用方的实际使用要求，参考国家和行业的相关液压试验标准， 以双弹车双缸同步系统及其常用典型液压元件为试验对象，对双弹车 液压综合测试台的液压系统进行了设计研究。 文章从实际的工程项目出发，开展了以下设计和研究工作： ( 1 ) 以相关试验标准为依据，按照用户的使用要求设计了试验台 的液压系统。 ( 2 ) 针对不同的测试项e | 和内容，选择具有代表性的典型试验回 路进行分析和研究，突 试验台系统的综合多功能性。 ( 4 ) 通过对现场试验过程及结论的分析，表明该试验台系统结构 合理，操作简便、可靠，能够完成双缸同步系统及其常用典型液压元 件的性能试验，其测试精度达到c 级，完全满足 j 户的使丌j 要求。 关罐斓：同步系统，液压测试台，典型试验回路 巾南凡学碰i 掌位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to f 也es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y f l u i dd m m gi s u s e dw i d e i vi nm o r ea n dm o r ef i e i d s t h em n c t i o nt e x to fh v d r a u l i c c o m p o n e n ti sm o r ef r e q u e n t t h et m d i t i o n a lh y d r a u l i ct e c h n o l o g yo ft e s t d e p e n d so nt h em a n u a lo p e r a t i o n ，a n dt l ew a yo fd a t ac o i i e c t i o ni ss e n s o r a n ds i m u i a t i o nq u a d r i cm e t e r b yt h i sm e a n s ，m ef 犯t i t i o u se r r o ri sv e r y s e r i o u si nc o n c l u s i o n ，l o w e re 衔c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，a n dt h et e s tp m c e s si s l o a d e dd o w nw i t ht r i v 训d e t a i l sa n db e i n gi n c o n v e n j e n tf o fa n a “z a t i o n a i m i n ga ta b o v e m e n t i o n e d ，a c c o r d i n gt ot h eu s i n gd e m a n d ，r e f e 盯i n gt o i n t e r r e l a t e dn a t i o na n d c a l l i n gh y d r a u l i ct e s tc r i t e r i a ， t h ed i s s e r t a t i o n d e s 噜n sas e to fh y d r a u “cc o m p o s i t i v et e s t b e d ，f o f t h e s y n c h r o n o u s h y d r a u l i cs y s t e ma n dt h et y p i c a lh y d r a u l i cc o m p o n e n t so fd o u b i e - b o m b t r a n s p o r tv e h i c l ea st e s o b j e c t b a s e do nm ep r o j e c to ff a c t o r y t h ed i s s e r t a t o nh a sd o n et h ef o l i o w i n g t h ed e s i g na n dr e s e a f c h ： ( 1 ) b a s e do nt h e i n t e r r e i a t e d h y d r a u i i c t e s tc r i t e r i a ，t h eh y d r a u l c s y s 把mo ft e s tb e di sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h er e q u i r e dd e m a n do f t h eu s e r ( 2 ) a i m i n ga t t h ed i f f e r e n c et e s ti t e ma n dc o n t e n t ，t h ed i s s e n a t i o n c h o o s e ss o m er e p r e s e n t a t i v et y p i c a it e s tc i r c u i tt oa n a i y z ea n d d i s c u s s ，a n ds h o w st h ec o m p o s i t j v em u i t i m n c t i o nc a p a b i i i 妙 ( 3 ) t h ea n a i y s i sr e s u l t sf o rt h ei o c a it e s ts h o wt h a tt h es t r u c t u r eo ft h e b e di si o g i c a l ，t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n dr e l i a b l e ，a n dm et e s tb e d c a na c h i e v et h e 如n c t i o nt e s to ft h es y n c h m n o u sh y d r a u l i cs y s t e m a n dt h et y p i c a lh y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，a n dt h ep r e c i s i o ng r a d ea 仕a i n s c ，w h i c hs a t i s f i e sm er e q u i r e dd e m a i l do f u s e r 幂幻w o r d s ：s y n c l l i o n o u ss y s t e m ，h y d r a u l i ct e s tb e d ，t y p i c a lt e s tc i r c u i t 2 中南凡学坝 j 学位论立第一帝史献综述 第一章文献综述 1 1 液压传动与控制技术的发展概况 n 有人把液压传动称为推动现代 业运动的“肌肉”，这是因为在现代t 业中液 瓜传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制。例如利用液压传动技 术操纵汽车转向和制动：控制1 s 机飞行；驱动和控制机床、推土机、收割机、采 矿机械、食品机械以及医疗机械等等。 液压传动是用液压油作为工作介质，通过动力元件液压泵，将机械能转换为 油液的压力能，然后再通过管道、控制元件，进入执行元件将油液压力能转换为 机械能，驱动负载实现直线或叫转运动。若要执行机构能够连续地准确的动作， 则必须对液爪系统的压力、流量或回路方向进行精确的控制。闵此液i i 传动与控 制足个问题的两个方面。 现代液压传动与控制技术的发腮足与流体力学理论研究成果和工稚材料、液 r f ；介质、钢铁冶会、机械加上等十丌天学科的发展紧密联系 ：一起的。0 电力传动、 机娥传动等；它常用种类的传动南式相比较，液瓜传动县有如下特点： ( 1 ) 易于控制且控制精确。 ( 2 ) 理想的增力系统。 ( 3 ) 呵以输出恒定的力和扭瓣r 。 ( 4 ) 具有负载敏感特性。 ( 5 ) 可以实现复合传动与控制。 ( 6 ) 系统设计柔性化。 ( 7 ) 与气动系统相比更易于控制。 ( 8 ) 液压系统工作平稳、冲击小。 ( 9 ) 简单、安全、经济。 除此之外，液压传动系统还有诸如转向运动反应灵敏，可以实现自动过载保 护以及可以实现无级调速等优点。在单位零部件所传递的最大功率方面，液压传 动系统也优于目a 口其它各种传动方式。 现代液压技术在2 0 世纪二次世界大战期间得到了迅速的发展，特别是第二次 世晃大战期问，由于军事工业迫切需要反应快、动作准确、功率大的液压元件、 液压传动系统和伺服控制系统，以便用于飞机、坦克、高射炮、军舰、潜艇等装 备和武器方面的控制系统，以及用于雷达、声纳的驱动系统，促进了液压技术及 其自动控制技术方面的进一步发展。第二次世界大战以后。液压技术的研究与应 中南人学颀i ：学位论文第一章史献综述 用得到迅猛的发展。美国麻省理工学院的柱莱克本( 引a c k b 啪) 等人对液压伺服 控制问题作了深入的研究，于1 9 5 8 年制造出了喷嘴挡板型电液伺服阀，1 9 6 0 年 发表了流体动力控制这本有杰出贡献的重要著作。液压技术的应用也迅速转 入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、锻压机械、冶金机械、农业机械以 及汽车工业、航空航天工业等部门得到了广泛的应用。 经过近半个世纪的进一步发展，液压技术已成为包括动力传动、控制、检测 在内的，对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术，已广泛应用于各工 业部门和t 业领域。国外生产的9 5 的工程机械、9 0 的数控加工巾心、9 5 以 上的自动化牛产线都采用了液压传动技术l j “。液压传动技术的应用对机电产品质 量和水平的提高起到了极大的保证和促进作用，世界上先进的工业国家均对液压 技术的发展给予了高度重视，采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平 的重要标志。 我国从2 0 世纪5 0 年代未期j 丌始发展液压工业，其产品最初只应用r 机床 和锻压设备，后来4 用到其它类设备上。自1 9 6 4 年从国外引进一些液压元件牛产 技术后，印着手进行自行殴计、研制和生r 。，初步形成了从低压到高压的拜种液 爪元件系列，并征再利咐l 械设备i 二得到广泛的心用。 特别足2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代，随着政葶外放政策的实施，i q 家对液压行 业进行了重点政造，有计划地加速了对固外先进液压元件和技术的引进、消化、 吸收r ：作。扩大了与荚固、德国、f l 本、意大利等固液压行业的技术交流与合作， 努力在产品质量、技术性能、经济效益、人j 培训和研究丌发等方面追赶世界先 进水平。但由于起步较晚和一些相关技术的影响我国液压传动技术与国外先进 水平相比还存在一些差距，主要表现在：产品质最不稳定、可靠性差、使用寿命 短：一些新的应用领域如航空航天、海洋工程、生物医学工程、机器人、微型机 械及高温、明火环境下的液压技术和所需的一些特殊元件，研究丌发工作还不能 满足需要”1 。液压工业已成为影响我国机械工业和扩大机电产品国际交往的关键 技术和瓶颈产业，迅速改变这种状况是我国液压技术界和工业界所面临的迫切任 务。 当前，液压传动与控制技术在实现高压、高速、大功率、低噪声、高可靠性 和高度集成化等要求方面都取得了重大发展，在完善发展比例控制、伺服控制、 开发数字控制技术以及实现机电液一体化方面也取得了许多的新成就。随着科学 技术的不断发展以及为适应控制设备的使用要求和增强本身的竞争能力的需要， 液压传动与控制技术仍然在不断发展，有些缺点正在不断被克服，其应用范围也 在不断扩大。目前液压技术的研究和发展动向主要有以下几个方面m j ： ( 1 ) 提高效率，降低能耗。通过减少摩擦和内泄漏，能量回收蓄能器的应 中南人学倾f ? 学位论文 第一帝义献综述 用，二次调节负载压力、流量和功率以及用微型计算机对液压系统进行自适应控 制等手段来降低能耗。 ( 2 ) 提高技术性能和控制性能，适用机电液一体化方向的发展需要。这要求 开发低控功率阀门，研制适应野外条件的电液比例阀、适用务种工况德电液伺服 阀、低成本比例阀以及不需要刖d 、d a 转换就可以直接联接计算机接口，且 易于数字显示的数字阀。 ( 3 ) 发展集成、复合、小型化、轻量化元件。继集成块式、叠加阀式、插装 式之后，近几年来又出现了将液压控制元件附加在液压执行元件或液压泵之上的 一体化的复合式液压装置。 ( 4 ) 丌展液压系统自动控制技术方面的研究与丌发。 ( 5 ) 加强以提高安全性和环境保护为目的的研究刀：发。 ( 6 ) 提高液压元件和系统的工作可靠性。 ( 7 ) 标准化和多样化。 ( 8 ) 丌展液压系统设计理论和系统性能分析研究。研究液压系统设汁理论与 方法，迸一步实现液压系统设计柔性化、智能化、通用化、标准化和最优化；对 液爪元件标准叫路尤其是实际液压系统进 j 二数字仿真，预测干分析液j e 系统动念 性能，以利j ：实现液压系统传动效牢高、能量损失少、工作、卜稳、灵活、安全： 实现控制执行机构工作灵敏、响应迅速、动作精确和操作柔性化。 ( 9 ) 丌拓新的应用领域。 1 2 液压测试技术的发展概况 科学技术的发展与信息检测手段的进步密不可分，可以说，各种信息检测手 段的技术水平是科学技术和生产力发展的重要标志。自二十世纪六十年代起，半 导体、微电子技术的崛起和电子计算机( 特别是微型机) 的迅猛发展，使人类进 入用电子装置代替人的脑力劳动，人们常形象地称作人类已进入信息时代l j j 。信 息时代的主要标志是用基于微电子技术和新型功能材料的检测技术获取信息，用 微型机处理信息。检测技术的进步不但扩大了物理量的检测范围，扩宽了量程， 提高了灵敏度和精度，而且为开发化学量和生物量检测装置( 传感器) 开辟了新 的途径。 1 。2 。1 液压溅试系统概述 随着工业生产和科学技术的迅速发展，液压传动和控制装鼍的应用领域不断 扩大，对液压元件、组件和系统的品种及性能所提出的要求也愈来愈高。因此， 中南人学顾j 学位论文第一常文献综述 开展液压传动及控制领域的基础研究、设计和研制合乎要求的产品以及对原有产 品进行分析和改进，以满足各种用途的需要，自然就成为液压科技人员的重要任 务。 在上述工作中，液压试验都是不可缺少的重要环节。例如，对一个设计者来 说，当他接到一项液压产品的设汁和研制任务之后，在对设计对象进行初步分析、 必要的计算和方案构思的基础上，就要进行某些模型试验和单项试验。样机试制 出来后以后，又要进行样机的全面性能试验和各种条件下的环境试验。在此基础 上再进行第二轮样机设计、试制和试验。有时这样的过程往往重复多次，才能研 制出合乎要求的产品。而对于大多数的厂矿企业来说，更多是在使用液压元件时， 对安装到产品设备上的液压元件或系统进行性能测试，以判断该液压元件或系统 是否满足使用要求。 随着机电液一体化技术的迅猛发展，在液压测试领域内，新的测试技术和测 试手段不断推陈出新，使得检测手段、检测方法和检测设备发生了变革性的变化， 形成了自动化、实时化和智能化的检测系统。从而在检测的准确性、快速性、町 靠件和抗干扰等方面取得了巨大的进步，人夫丰富了检测技术所包含的内容，扩 大了榆测技术的应用范田。 液压行业的科学研究和工业生产的迅速发展对试验提 l ：了新的要求和九进的 测试技术，以获得比较高的试验精度，并实现测量自动化。祚液压试验中，除了 耍定性观察一些物理现象外，更重要的是要对运行过程【f l 订：多f r 火的物理参数进 行精确的定量测量，并且通过数学方法对所测量进行分析和处理最终的出试验 结果。如果没有有关物理量的先进测量方法和测量装置，包括先进的数据处理方 法和设备，当然也就没有先进的液压试验技术。 以计算机为核心进行自动测量和数据处理、分析的技术是液压试验技术的发 展方向，我们习惯称之为液压计算机辅助测试( c a t ) ，它应用现代化的检测手段、 计算技术、自动化技术，并将它们有机的结合，使测试与试验摆脱小规模、单参 数的状念而向工程规模发展成为应用现代综合技术的重要方面p 。液压c a t 是 利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台联接起来，由计算机对 各试验参数，如压力、流量、温度、转速、扭矩等，进行数据采集、量化和处理 并输出试验结果，在试验中还可以通过控制界面对试验状态和过程进行控制。 般液压试验系统组成情况如图1 1 所示。 综合测试系统具有很高的测量精度，主要是由于它采用了高精度的检测仪器 和数字转换技术，利用计算机进行采样分析和插值处理，从根本上消除了因试验 台不稳定而造成的被测参数波动的影响及读数误差。并且综合试验台在试验过程 中能实时显示系统参数，形成并输出试验报表和特性曲线，缩短了试验周期，减 4 中南人学硕i 学位论文第一章文献综述 轻了劳动强度。 蚓| i 液压试验系统的组成 计算机控制综合性试验台必须具备下列基本条件： ( 1 ) 试验台必须基本稳定并经过调整及较长时间的试验，证明其达到了试验 要求： ( 2 ) 先决条件之一就是参数测量必须实现数字化： ( 3 ) 试验台的执行机构( 液压控制元件) 及其他设备必须足电气控制，并f r 配套的检测仪表和信弓反馈； ( 4 ) 仪表及计算机必须可靠； ( 5 ) 外部设备特别是与试验现场梢联系的过程输入、输 h 设备齐全。 给 幽i 2 阿环测试系统方框图 数 叫控制器卜叫执行机构h 被测对象卜 给定信号 被洲参数 图i 3 开环测试系统方框图 在液压综合测试中，由于对试验的要求、目的不同，其控制方式不同，基本 上可以分为两种类型：闭环控制和开环控制f 4 】。如图1 2 ，1 3 所示。 通常在液压试验中以开环测试系统居多，这是由于液压试验不同于生产过程 控制。因为一般的生产过程，产品定型、生产的批量大，且工艺流程固定，因此 程序设计比较简单易于实现。而液压试验中的综合测试系统除了需要进行数据处 理外，还需对试验工况是否稳定进行判断、观察。对中间结果要求能够打印或者 中南人学硕i j 学位论文笫一章文献综述 显示，试验过程的人机联系多。另外，被试液压元件的类型、试验项目不一， 又是单件试验，因此采用丌环控制就比较机动灵活。 图1 4 为液压元件试验的综合测试系统原理框图。它能自动进行采样和数据 处理，并将试验结果打印出，其输出信号不作用于执行机构，试验工况的改变( 执 行机构如液压阀状态的改变) 仍由人工进行。 幽i 4 综合测试系统原理方框图 总的求说多功能液压综合试验台技术的发展与传感器技术、信弓采集娃示、 抗_ t 扰技术、可编程控制器技术以及计算机技术的发展足密4 i 可分现代信息产 业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了试验测试 系统的“感官”、“神经”和“大脑”口。 1 2 2 传感器技术的发展 传感器是信息采集系统的首要部件，鉴于传感器的重要性，在上个世纪8 0 年 代，发达国家对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，如荚国把8 0 年 代看作传感器时代，把传感器技术列为9 0 年代2 2 项关键技术之一，日本曾把传 感器列为十大技术之首，我国的8 6 3 计划、科技攻关等计划中也把传感器研究放 在重要的位嚣【”i 。 芝鱼纠传感器l 皇纠信号放大器 低通 滤波器 多路转 换开关翥篮言p测控接口l 。 图1 5 现场信号的测控 一个现场信号的测控方框图如图1 5 所示，一般现场信号为非电量，先由传 感器把非电量转换成电量，由信号放大器加以放大后再经低通滤波器滤掉高频成 分，送入多路开关的信号测控接口，转换成数字量后存入微控制器内存。多路开 6 ! 塑查兰堡! ：兰些堡苎 塑= 塞苎苎! i 垒 拟信号需要检测时，可以将多路转换开关省去。传感器作为测量与控制系统的首 要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求， 即： ( 1 ) 足够的容量：其工作范围或量程足够大，具有定的过载能力； ( 2 ) 与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高：要求其输出信号与被澳4 输入信号成确定关系( 通常为线性) ，且比值要大； ( 3 ) 精度适当，且稳定性高：传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足 要求，并长期稳定； ( 4 ) 反映速度快，工作可靠性好； ( 5 ) 适用性和适应性强：动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声 小而又不易受外界干扰的影响，使用安全： ( 6 ) 使用经济：成本低寿命长，且易于使用、维修和校准。 当然在实际应用中所选用的传感器不可能都满足上述要求，因此我们必须根 据测试系统的工作情况和测试的精度等因素来作综合考虑。 随着科学技术的不断向前发展新的测试对象、测试内容和测试手段的提出。 促进了传感器技术的发展，传感器开发的新趋向包括社会对传感器需求的新动向 和传感器新技术的发展趋势两个方面i 。 ( 1 ) 社会对传感器需求的新动向 社会需求是传感器技术发展的强大动力，随着现代科学技术，特别是大规模 集成电路技术的飞速发展和微型计算机技术的普及，传感器技术在新的技术革命 中的地位和作用将更为突出。 ( 2 ) 传感器技术的发展趋势 目前的传感器远远不能满足科学技术迅猛发展的需要，成为阻碍测控技术进 一步发展的障碍。当前，人们在充分利用先进的电子技术、生产加工技术等，研 究和采用合适的外部电路以及最大限度低提高现有传感器的性能价格比的同时， 正在寻求传感器技术发展的新途径。 1 ) 开发新型传感器 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们迸一步探索具 有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件。这 是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。 2 ) 集成化、智能化 所谓集成化就是在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一 维线型、二维阵列型传感器；或将传感器件与调理、补偿等电路集成一体化。固 态功能材料半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展， 7 中南大学硕_ 士- 学位论文第一章文献综述 为传感器集成化开辟了广阔的前景。而智能化就是将传感器电路技术与微电子计 算技术紧密结合。智能化传感器不仅具有信号检测、转换等功能，同时还具有记 忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。 3 ) 微机械化和系统化 微型传感器是目前最为成功、最具有实用性的微机电装置。微型压力传感器 及微型加速度传感器是利用微型膜片的机械变形而产生电信号输出，另外还有微 型的温度、磁场传感器等等。今后微传感器与电子系统的单片集成将对传感器技 术产生革命性的影响。 1 2 3 计算机与可编程控制器在液压测试技术中的应用 计算机和可编程控制器在液压测试技术中的应用，使得液压试验的自动化程 度有了巨大的提高，并且从减轻劳动强度、提高测试精度、缩短测试周期等方面 考虑，两者的有机结合给液压测试技术带来了革命性的变化。 随着计算机硬件技术( 数据处理能力) 与软件技术( 应用程序的编写、调用 等) 的全面发展，其在工业生产过程中的地位越来越突出。用户根据实际需要选 择适当的计算机硬件配置，在高级编程语言环境( 如v b 、v c 等) 下编写应用程 序，生成基于w i n d o w s 操作环境下的用户软件，通过便捷的下拉式菜单可以很 轻松地完成相关的试验操作内容。借助计算机极其强大的数据处理功能对试验数 据进行补偿校j 下、提高试验精度，还可以通过对试验数据的拟合，生成更为直观 的特性曲线。 可编程控制器( p l c ) 技术经过近半个世纪的发展，其功能已日趋强大，逐 渐取代继电器成为工业自动化控制的中坚力量。p l c 具有高可靠性、丰富的i 0 接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单、方便等特点，其应用范 围不断扩大。 计算机与p l c 一体化的控制系统在设计思想上，为保证控制的可靠性，采用 了分散独立控制的设计思想，其核心是微型机和p l c 独立设计，也就是说微型机 与p l c 分别独立编程。由p l c 去驱动执行机构完成控制功能，其控制指令可以 来自于上位微机，也可以通过p l c 的输入模块直接发出。传感器过来的信息直接 通过二次仪表和数据采集卡进入到计算机，微型机负责数据的分析与处理。 目前p i 在液压试验技术中只是用于实现试验过程的顺序控制，完全取代以 往继电器的作用，可以方便地实现液压系统不同工作要求的油路转换和状态设定， 改善系统的柔性控制和动特性。随着p l c 技术的进一步发展，特别是数据处理能 力以及联阿通信能力的不断增强，其在测试分析技术中的地位将会日益重要。计 算机技术与p l c 控制技术的进一步发展必将推动液压试验技术更快地向前发展。 8 中南人学坝i j 学位论史 第一章文献综述 1 3 液压试验台技术发展现状及方向 传统的液压测试方法依靠操作试验人员进行人工读数、测距、手动调整加载、 计算、手工绘图等，试验过程中的工作量非常之大，并且由于人工读数的随机性 很大，要想保证规定的测试精度是一件相当困难的事情。 我国液压测试技术经过3 0 多年的发展已有很大进展，首先表现在c a t 技术 的引入。从1 9 8 0 年丌始，一些单位就将单扳机或p c 机应用于液压测试中，但因 研制年代较早，软硬件的性能均不高。c a t 技术的应用模式经历了下面四个阶段： ( 1 ) 常规二次仪表+ 单板机+ 汇编语言：( 2 ) 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高 级( 或汇编) 语言；( 3 ) 通用接口+ 微型机系统：( 4 ) 兼有测试试验数据处理和 计算机控制功能的微机系统。从测试系统的功能看，常分两种模式：一一是计算机 对测试装置进行控制并完成测试过程数掘采集、处理一体化的系统如北京机械 l 业自动化研究所的液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试 系统，上海交大和昆i ij 液压件厂为武钢研制的新国际b 级精度液压阀试验台的计 筇机辅助测试系统，华中理工大学液压泵和码达特性智能测试系统、液压缸试验 台c a t 系统及电液伺服阀c a t 系统等：二是计剪机不对测试装置进行控制，只 进行数据采集、信号处理和试验结果的输出的系统，如北京瑚- 1 ：大学的液压泵、 液爪马达、压泵一液压马达传动系统r ：作特性的计算机辅助实验系统，广州机床 研究所液压泵性能和噪声汁算机实时监测系统等”。 就目前过国内液压测试技术的现状来说，具有较高可靠性，能由汁算机根据 测试项目要求自动控制压力、流量、温度、电流、频率、转速等参量，并能自动 校零的全自动液压试验台未见有报道。液爪测试技术发展的另一标志是试验台按 国家所规定的精度等级标准制造。b 级精度c a t 液压试验台是目前我国液压测试 设备的最高技术水平，但只有少数液压试验台在部分液压元件，部分项目上达到 了b 缎精度等级。真正符合国家b 级精度要求经过实践证明是适用于工矿企业 使用，能够全面试验泵、阀、缸及伺服阀等元件的c a t 液压试验台极为少见。在 国内已有的相关产品，其测试精度一般定为c 级。 事实上，为工矿企业研制高精度c a t 液压试验台尚需解决许多技术问题，有 些技术在国内尚属空白，主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 缺乏实用、高精度的油温控制技术，油温控制精度在实际试验中普遍达 不到要求。油温的变化直接影响着测试精度，为此，i s o 标准和国家标准对油温 的波动都有着非常严格的限制。但是目前绝大多数试验台均没有能够很好的将油 温严格控制在规定的精度范围内，其主要原因是根据现有技术水平建成高精度温 度控制系统耗资不菲，大大增加了试验台设备的成本。所以尽快研制出廉价、高 9 中南人学硕i j 学位论文第一章文献综述 精度、实用的试验台温度控制系统，是液压测试技术进一步发展的课题之一。 ( 2 ) 现有测压仪表虽然测量压力时精度较高，但是用于测量高压下的微小压 差( 如液压阀进出口压差) 时精度很低，缺少一种精度较高且能直接测量、显示、 标定和绘制曲线的压力损失曲线的测量仪表系统，从而限制了压力损失的测量精 度和测量方便性。 ( 3 ) 微泄漏量的测量因受传感器和测量方法的限制( 多用量杯量，已有的小 流量传感器其测量范围和精度均不能很好的满足测量要求) ，精度低且难以实现自 动测试。 ( 4 ) 其它技术问题。高精度c a t 液压试验台成功与否，还与多种技术有关。 如温度、流量传感器的非线性校j 下，上位机与下位机的通信技术，弱信号的数据 采集、调制放大，数字滤波，量程自动换档，计算机的可靠性与抗干扰，传感器 的自动调零与标定问题，都是难度大，且不易解决的技术问题。 目前多功能液压综合试验台的主要特点及关键技术的发展方向为： ( 1 ) 分布式计算机数据采集与控制 国内现有液压c a t 系统大多采用“常规二次仪表+ 8 1 2 位多路怕转换+ 普 通微机+ 输出设备”的模式。这种模式对具有泵、阀、缸、伺服阀综合试验能力 的大型高精度试验台束说，显得非常不足。首先，大型综合性试验台测试参量多、 系统复杂、量程范围大、信号电平不一，如果采用常规的a d 转换板，必然导致 电平较低地弱信号测试精度降低，甚至有被噪音等干扰信号淹没：其二，使用常 规的二次仪表作为传感器和计算机之问的接口，利用r s 2 3 2 或b c d 码传递数据， 速度较慢，实际上计算机仅起记录和运算的作用，达不到大幅度提高测试精度的 目的。针对上述问题。目前研制的高精度自动测试系统为含有工业控制计算机、 远距离数据采集模块及斩波调制放大器的智能化高精度数据采集控制系统。 ( 2 ) 油温闭环自动控制系统 作为高精度液压测试系统，其工作介质的粘性和泄漏等因素对试验结果的准 确性都会产生比较大的影响，因此如何控制液压油的温度，正在成为高精度液压 测试系统的重要工作之一。 常规的液压试验设备仅仅针对油温上限进行控制，当油温在试验过程中达到 某设定的上限值时就启动冷却装置，通过循环冷水降温，造成系统油温的波动范 围比较大，无法满足高精度测试要求。因此，如果要严格按照试验标准，尽可能 地提高试验精度，就必须设计一套能够对油温进行闭环控制的冷却加热装置，尽 量满足油液在试验过程中的不同要求。 ( 3 ) 微泄漏量的检测 为了解决微泄漏流量的自动测试问题，业界采用很多的办法，如用量杯，微 中南人学硕j 。学位论文第一章文献综述 流量计、称重法等等但是上述方法的测量精度都不是很令人满意。为了解决这 个问题。我们尝试着将泄漏流量转变为压力变化值进行测量，比如要测量液压缸 的内泄漏量，可以通过回路保压，在规定的时间里观察高压腔的压力变化情况， 据此作出判断。但是这种方法并不适合所有的微泄漏量测量，在对有外泄口的液 压泵迸行效率测试对就需要测量外泄口的泄漏流量，保压的方法明显行不通。 因此如何真正地解决微泄漏量的自动测量问题只有寄希望于微传感器技术的进 一步发展。 ( 4 ) 虚拟仪器的广泛应用 随着计算机应用软件技术的不断进步，推动了液压测试技术中虚拟仪器的涎 生和发展。虚拟仪器( v i n u a li n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能 化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，就像在操作 自己定义、设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、 显示、数据存储等。将虚拟仪器应用在液压c a t 技术中，可节省信号源、示波器、 信号分析仪等测试设备，大大降低试验成本。 ( 5 ) 试验台操作方便性和可维护性 由于试验元件都是通过接入试验台液压系统回路l f i 进行测试的因此就存在 着被试元件接口与试验台接口之i h j 的互换性问题。 被试元件多种多样，接口大小和位置并不相同，并n 在试验过程中由于测试 内容的变化，要求阿一元件在不耐测试项目中通过不同的接口接入试验系统中。 由于被试元件不外乎管式和板式两种接口方式，因此目前主要是通过过渡接头或 者过渡连接板来连接被试元件与测试系统。实践证明，大多数的液压试验台中都 存在被试元件与测试系统之间接口互换性差，连接安装劳动强度大的问题，因此 如何巧妙地设计两者之间的连接装置，也是液压综合试验台设计过程中一个不容 忽视的方面。 综上所述，随着计算机软、硬件技术、通信技术、网络技术的发展，测试技 术得以和计算机技术深层次结合，推动了计算机辅助测试技术的不断进步。通过 计算机网络连接，液压c a t 将不再局限于孤立的或局部的测试系统，而成为信息 采集、传输、处理、利用的大系统中的一环，连网测试将发挥出巨大的作用。传 感器技术以及检测技术的进一步发展，再结合目前飞速发展的液压c a t 技术，多 功能液压综合试验台必将朝着智能化、高度自动化、高精度化方向发展。 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于某厂一国债技改项目，该厂是军用导弹运输车的专业生产厂家， 大批量生产某型号双弹运输车。产品车上安装有两套基于同步g 控制的双缸同步 中南人学颂一j 学位论文 第一章文献综述 液压系统，其车身底盘也运用了液压敞振机构，因而在装配过程中需要对上述液 压系统中的大最液压元件进行基本性能指标的检测和试验。 以前，液压元件在进厂验收时都没有经过专门、系统的性能测试。厂方的试 验、检测设备仅为一台小流量齿轮泵，只能够进行管路打压试验和某些丌关阀类 的泄漏量试验等，因此入库液压元件的质量得不到很好的保证。并且产品车上的 双缸同步液压系统较为复杂，安装工作量比较大，其双缸同步误差的检测与校正 也是人工手动进行的，即通过多次测取其同步误差值，分析误差大小，根据产晶 的同步精度要求进行实地调节与校难。因此生产过程中常常出现液压元件产品的 质量问题如溢流阀主阀芯弹簧刚度不够引起系统压力震荡，液压缸或同步器 有较为严重的外泄漏现象等。 这些问题都足出于液压元件在入库前的质量检验把关不严造成的，在系统调 试过程中彳发现元件的质量问题这无疑将会增加组装工作的反复性，延误产品 的出厂f 1 期，并且在产品车卜反复拆装液压系统，不可避免的导致系统内液压油 液溢出而影响产品车的清洁、美观。 为了较好地解决以上的问题。保证军品质量，缩短产品车的装配廊期特委 托中南大学机电工程学院设计、制造一套双弹擎阔步系统的液，区综合测试台蹬备。 传统的液压测试方法已远远不能满足现代生产的需要。随着计算机技术与可 编程序控制器技术的发展及其应用范围的不断扩人，其在液压测试领域的地位也 越来越重要了。计算机辅助液压测试技术( c a t ) 的研究对提高液压元件及液压 系统的性能，推动测试技术的进步起着推波助澜的作用。通过讨算机建立起测试 系统的数据采集和数字控制系统。由可编程序控制器接受上位计算机发出的控制 指令而输出相应的驱动信号去完成具体的控制功能。 本文的研究意义在于：针对产品测试的需要开发出适合厂矿企业使用的具 有较强测试功能的试验台液压系统以此为祖国的国防工业做出自己的贡献。 1 4 课题的研究内窖 由于日前的液压试验设备只是针对某类或几类具体的液压元件进行性能试 验，其使用范围具有一定的局限性。为了满足使用方所提出的能够针对常用典型 液压元件和双缸同步系统进行性能测试的要求，本文设计了一套全新的液压综合 测试系统以满足不同元件测试的需要。 论文的主要内容包括试验台液压系统的设计，和相关典型回路的分析研究等， 有关试验台系统控制软件方案的设计及系统性能分析等可以参见相关参考资料 堋。因此文章拟从以下几个方面着手： 1 ) 按照国家和行业标准中有关液压元件的试验方法，综合分析各自试验原理 中南人学硕l j 学位论文 第一章文献综述 与方案，设计一套全新的液压综合试验系统。试验中可以按照不同元件的不同试 验项目，自由组合系统中的管路接口，以形成试验所要求的回路系统。 2 ) 分析典型试验回路的没计思路，并结合相关试验内容，对其工作原理分别 予以阐述和研究，突出该液压测试系统的综合多功能性。 3 ) 在试验台设备入厂验收过程中，演示了同步系统、液压泵、溢流阀、手动 换向阀的试验过程，文章结合测试系统的动、静态特性对上述试验的试验过程及 试验报表进行了分析、讨论，论证了试验台设计方案的可行性，以及功能的完整 性、可靠性等。 该综合试验台完全是依照使用方所提出的使用要求来设计和制造的，同时考 虑到节省成本和实用性等方面的因素对控制元件和控制过程进行了必要的简化。 中南太学硕上学位论文第二章试验台液压控制系统原理分析及系统设计 第二章试验台液压控制系统原理分析及系统设计 该液压综合试验台是为了满足某军工厂专业定型产品上的基于同步器控制的 双缸同步液压系统及其常用典型液压元件的测试需要而进行设计和制造的。在试 验平台上安装被试同步系统或被试元件，通过回路系统模拟其现场工况，对其相 关性能指标进行测试。因此试验台的主要测试对象为双缸同步液压系统，并兼顾 对常用典型液压元件进行性能检测。在液压控制系统的设计过程中要充分体现其 综合多功能性，以尽量少的控制元件和简单的回路来完成各种常规的测试任务， 并且力求试验操作过程简单，方便。 2 1 试验台设计参数、参考标准以及功能要求 根据厂方提出的使用和技术要求，再结合国标和行业标准中的相关试验参数 和功能要求，提出了以下关于试验台的参数功能要求。 1 技术设计参数川 油源最高压力：3 1 5 m p a 油源最大流量：1 2 0 l ，m i n ( 最大理论流量：1 1 6u m i n ) 控制油路最高工作压力： 1 5m p a 油液过滤精度： 1 0 u 仪表测量准确等级：c 级 工作介质：y h l o 号液压油 介质工作温度： 一5 。c + 5 0 。c 加载油缸负载：o 5 t _ 2 5 t 系统参数允许误差：流量2 5 工作环境温度： 压差p 屯0 0 k p a 表压时 l o k p a 压差p 2 0 0 k p a 表压时2 5 ； 1 5 。c 斗5 0 。c 2 试验台功能要求 i i 该试验台主要针对某厂定型产品某型号军用运输车上基于同步器控制的 双缸同步系统及其常用典型液压元件进行性能测试，具体功能要求包括： 1 ) 双缸同步系统试验，包括基于同步器控制的双缸同步精度检测，双缸对 顶加载试验及液压系统管路打压试验； 2 ) 对液压泵、液压马达进行性能测试： 1 4 中商人学顾f 学位论文 第二帝测试卜弁液压系统方案设计 3 ) 对液压油缸进行性能测试； 4 ) 对各种典型阀类液压元件，包括流量阀、方向阀、压力阀及相关比例阀 等进行性能测试； 5 ) 具有油温上限报警装置和相应的冷却装置： 6 ) 对液压油迸行污染检测及油液过滤。 2 2 液压系统的设计与分析 该试验台液压系统是以国家以及行业的相关液压试验标准为参考依据，在综 合分析了双缸同步液压系统及其常用典型液压元件的试验回路的基础上进行设讣 的。对于不同的测试对象，可以按照试验内容的具体要求将被试同步系统或元件 通过液压系统中的接口接入回路中柬组成不同的测试回路。 液压系统的设计步骤大体如下： 1 ) 明确设汁依据进行工况分析； 2 ) 确定液压系统主要参数： 3 ) 拟定液几三系统原理图： 4 ) 液压元件及液j 丘油的选择； 5 ) 液压系统性能验算： 6 ) 绘制一式工作罔和编制技术文件。 当然，上面各个步骤是相互联系、相互影响的，系统设计过程中各项不一定 都是必要的和先后次序固定不变的，而是相互穿插，交叉进行的。本章结合实际 工作任务，分别就以下几个方面进彳亍了分折、设计，然后得出整个系统的工作原 理图。 2 2 1 液压系统工况分析 由于本系统为液压元件和同步系统的试验平台因此要求其经常工作在大流 量、高压力、强冲击的状态下，以此来检验被试对象的属性指标。被试对象通过 试验台上的试验接口接入回路中，再调节系统的压力和流量值，借助回路控制阀 的开关来模拟其试验工况。 对于液压泵和液压马达试验，拟采用液压泵和液压马达对拖的试验方案，即 通过马达来驱动被试泵，或者通过马达来带动负载泵，在马达与泵之间安装转矩 转速传感器来测取相关的转矩、转速值。为了使得泵在额定的外负载下进行试验， 在其出口回路上设置有一溢流阀作背压阀用，通过调节该阀可以将被试泵的回油 路设定在规定的工作压力上f ”。 中南大学硕i 。学位论文第二章测试卜台泣括系统方案璇 升 对于液压缸试验由于被试缸与被试同步系统都是双作用单活塞杆液压缸， 因此系统拟采用双缸对顶的加载试验方式，即采用两双作用单活塞杆液压缸作为 加载装爱，将被试缸与加载缸的活塞杆铰接起来，通过加载缸束模拟实际工况下 被试缸的外在负载。这样系统就需要能够形成两条独立工作的压力油路，分别驱 动被试缸或系统的试验回路，以及加载缸回路，并且还要求这两条回路可以分别 调定工作压力。 由于系统经常处于高压力、大流量工作状态，并且在动态响应试验中( 如泵 冲击试验，压力阀流量阶跃压力响应试验等) ，回路中将产牛很大的液压冲击效 应系统的发热量大，造成油温升高过快，油液粘度变小，泄漏量增大，影响测 试结果。 作为试验平台系统，其工作状念和：l 作环境都相应较为恶劣，由于系统经常 _ 1 ：作在临界极限状态，因此高温升、高振动、高噪音等一系列现象都会出现，影 响系统的测试精度，因此有必要设置相应的辅助装置( 油温控制装胃、缓冲装霄 等) ，并且对其工作性能进行分析、研究存满足试验要求的f j i 提下尽量减少 系统在动态响应过程中的振动、噪音。 2 2 2 液压系统主要参数的确定及液压泵站的设计。 压力和流量是液压系统最主要的两个参数。根据这两个参数束计算和选择液 压元件、辅件和原动机的规格型号。本试验台系统压力和流最的确定依据足被试 元件和被试同步系统的最大流量和盛大活塞运动速度，在小节2 1 中已经给出了 系统的最高工作压力为31 5 m p a ，最大流量为1 2 0 u m i n ，控制回路的最高控制压 力为1 5 m p a 。 系统泵组由控制泵和主泵组两部分组成。主泵组是整个液压控制系统的心 脏，负责提供试验所要求的工作压力油。按照技术协议中要求，主泵组可以提供 的最大流量为1 2 0